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研究人员使用2D半导体为纳米激光注入新的活力

在他的最新研究领域中,亚利桑那州立大学Ira A. Fulton工学院电气工程教授宁存正(Nun-Zheng-Zing Ning)和他的同事们探索了控制电子,空穴,激子和三重子的复杂物理平衡。共存并相互转换以产生光增益。由清华大学副教授孙浩领导的研究结果最近发表在《自然》杂志《光:科学与应用》上。

宁说:“在研究tri子如何发出光子(光的粒子)或吸收光子的基本光学过程时,我们发现,当我们有足够的tri子数量时,就可以存在光学增益。”“此外,存在这种光学增益的阈值可以任​​意小,仅受我们的测量系统限制。”

在Ning的实验中,研究小组测得的光学增益密度为4至5个数量级,即10,000至100,000倍,比为光电设备供电的传统半导体(如条形码扫描仪和电信工具中使用的激光器)的光学增益小。

宁因对一种叫做Mott跃迁的现象的兴趣而被驱使做出这样的发现,Mott跃迁是物理学中一个未解之谜,它涉及激子如何形成tri子并在半导体材料中导电,直至达到Mott密度(半导体从绝缘体变为导体,并首先发生光增益)。

但是,实现Mott跃迁和密度所需的电能远远超出了未来高效计算的需求。Ning表示,如果没有像他正在研究的那样的新的低功率纳米激光器功能,它将需要一个小型电站来运行一台超级计算机。

宁说:“如果能在低于Mott跃迁的情况下用激子复合物实现光增益,那么在低功率输入时,可以制造出将来需要少量驱动功率的放大器和激光器。”

这种发展可能会改变高能效的光子学或基于光的器件的游戏规则,并为传统半导体提供替代方案,因为传统半导体在产生和维持足够的激子能力方面受到限制。

正如Ning在先前使用2D材料进行的实验中观察到的那样,有可能比以前认为的更早获得光学增益。现在,他和他的团队发现了一种可以使之起作用的机制。

宁说:“由于材料的厚度,电子和空穴相互吸引的强度是传统半导体的数百倍。”这种强的电荷相互作用即使在室温下也能使激子和三重子非常稳定。”

这意味着研究团队可以探索电子,空穴,激子和三重子的平衡,并控制它们的转换,以在非常低的密度下实现光学增益。

宁说:“当三元态的电子数量多于其原始电子态时,就会发生称为种群反转的情况。”“可以发射出比吸收更多的光子,这导致了被称为激发发射和光放大或增益的过程。”

解决纳米激光的奥秘,一次完成基础科学的一步

尽管这一新发现为Mott过渡难题增添了一块-它揭示了研究人员可以利用其创建低功率2D半导体纳米激光器的新机制,但Ning表示,他们尚不确定这是否与导致这种现象的机制相同。他们的2017年纳米激光的生产。

解决剩余的谜团的工作仍在进行中。

宁说,在1990年代用传统的半导体进行了类似的三极子实验,“但是激子和三极子非常不稳定,无论是实验观察,还是将这种光学增益机制用于实际器件,都非常困难。”

“由于激子和三重子在2D材料中更加稳定,因此有新的机会根据这些观察结果制作出真实的设备。”

宁和他的研究团队所做的这一有趣的发展仅在基础科学层面上。但是,基础研究可能会带来令人兴奋的事情。

宁说:“基础科学是一项全球性的努力,如果可以吸引来自世界各地的最优秀的人才参与,那么每个人都会受益。ASU提供了一个开放和自由的环境,特别是与中国,德国,日本和全球顶级研究小组的国际合作。”

他的团队还有很多工作要做,以研究这种新的光增益机制在不同温度下的工作方式,以及如何利用它来有目的地制造纳米激光。

宁说:“下一步是设计可以使用新的光学增益机制专门工作的激光器。”

在奠定了物理基础之后,它们最终可以应用于创建新的纳米激光,从而可以改变超级计算和数据中心的未来。

Ning说:“长期的梦想是将激光器和电子设备组合在一个集成平台中,以使超级计算机或数据中心位于芯片上。”“对于这样的未来应用,我们目前的半导体激光器仍然太大,无法与电子设备集成。”

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